超宽带功率放大器概述

王行建（中国电子科学研究院，北京，100041）

超宽带功率放大器概述

王行建
（中国电子科学研究院，北京，100041）

超宽带功率放大器是通信系统的重要组成部分。本文阐述了功率放大器的分类和主要参数，简要介绍了超宽带功率放大器的设计，并介绍了国内外超宽带功率放大器的最新研究现状。

超宽带功率放大器；设计；现状

1 功率放大器的种类和主要参数

甲类(A类)放大器是所有类型功率放大器中线性度最高的，电流的导通角为360度，但其效率非常低，在理想状态下效率仅为50%，实际电路中在30%以下，适应于小信号小功率放大。

乙类(B类)放大器电流导通角为180度.其效率在理想状态下可达78%，实际电路中效率小于60%，乙类适应于大功率工作状态。

甲乙类(AB类)特性介于甲类和乙类之间，电流导通角大于180度但远小于360度，一般情况下其效率在30%-60%之间。

丙类(C类)放大器电流导通角小于180度。丙类适应于大功率工作状态。其输出波形是为周期性脉冲，必须并联LC滤波器后，才能得到所需要的正弦波。丙类工作状态的输出功率和效率是这几种中最高的。功率放大器多采用丙类放大器的形式。在理论上，C类放大器的效率可以达到100%，实际电路中约为60%。

丁类(D类)放大器和戊类(E类)放大器功率器件工作在开关状态，其原理是将功率元件作为开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使输出端得到完整的输出波形。丁类放大器的效率高于丙类放大器，理论上可达到100%。

F类放大器是C类功率放大器的延伸，他们的偏执方式相似，但F类放大器在功率管输出端与负载间加入了谐波控制网络，以此提高效率，在理论上它们的效率都可以达到100%，但在实际电路中因受到开关切换时间等因素的控制而无法达到理想值。

功率放大器有几个重要的参数，说明如下。

（1）工作频段：是指功率放大器在规定的线性度和额定输出功率等条件下能够正常工作的频率范围，单位Hz。

（2）功率增益：当输入一定强度的信号时，功放输出功率相对于输入功率放大的倍数，即放大器的输出功率与驱动输入功率的比值，单位一般是dB。

（3）输出功率：功率放大器能够输出给天线等负载的带内射频信号的总功率，单位dBm或W。

（4）功放效率：功放输出功率与输入总功率的比值。

（5）线性度：一般有两个指标反应功率放大器的线性度，1dB压缩点和三阶互调点。效率和线性度通常需要折中考虑。

2 超宽带功率放大器的设计

设计功放电路前应该先考量系统规格要求的重点，再来选择电路架构。以射频功率放大器而言，有的系统需要高效率的功率放大器，有些需要高功率且线性度好的功率放大器，有些需要较宽的工作频带等，这些系统需求往往是相互抵触的。如B类、C类、E类架构的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却很严重；而A类放大器是所有放大器中线性度最高的，但效率太低。为了保证窄带信号的最大能量传输，窄带功率放大器共轭匹配，一个简单的L型或π型匹配网络就可以实现窄带功率放大器的共轭匹配。

超宽带功率放大器不止要提高宽带放大器的输出功率或者展宽功率放大器的工作带宽，需要同时满足带宽、线性度、增益和稳定性要求。每个单独的要求都相对容易满足，但是在要求同时满足这些要求时，微波宽带功率放大器的设计就将面临相当大的难度，而且当带宽增加到倍频程及以上时，每一个环节都变得非常困难。需要考虑特定的拓扑结构、宽带匹配网络、宽带偏置网络、大信号模型下输入输出阻抗、精确的大信号模型、大功率合成网络、良好的热设计等。具体设计时首先要选择合适的晶体管，综合考虑晶体管的工作频率、输出功率、功率增益、稳定性等。其次根据放大器的要求和晶体管特性确定合适的工作状态，射频功率放大器的工作状态主要由功率、效率、失真度等性能来决定。然后进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、配置电路和直流扼流等，最重要的是设计匹配网络，因为匹配网络不仅具有阻抗变换的作用而且还有滤波器的功能。为了同时满足最大能量传输和增益的平坦度，对于宽带功率放大器需要设计宽带的匹配网络。

4 超宽带功率放大器研究现状

国外超宽带的大功率放大器主要采用行波管结构，工作频率可以覆盖到毫米波频段，输出功率最大可以达到上千瓦。行波管功率放大器的厂家主要有AR、IFI、RADITEK、Quarterwave Corp、RF Amplifiers等公司。其中AR公司有产品覆盖0.7-18GHz，由0.7-6GHz和6-18GHz两段组成，额定输出功率有10W，20W，40W等。IFI公司的宽带行波管放大器工作频率为1-18GHz，额定输出功率为10-100W；宽带固态功率放大器工作频段为0.8-18GHz，额定输出功率为5-50W。RADITEK公司1-18GHz TWTA功率放大器，输出功率高于1kW。

国内方面，超宽带功率放大器的研究起步较晚，目前13所6-18GHz的GaAs功率放大器芯片的饱和输出功率为37dBm，GaN功率放大器的饱和输出功率为40dBm；中电12所推出的行波管功率放大器工作频率为6-18GHz，额定输出功率为100W。

5 结束语

军用、民用通信领域的无线通信系统离不开功率放大器。现代通信的发展对工作带宽，线性度，能量效率等指标提出了更高的要求。对于工作频率范围更宽、增益更高的稳定超宽带功率放大器，还有待进行进一步的研究和探索。

[1]陈琦.VHF宽带功率放大器设计[D].成都: 电子科技大学,2009.

[2]周博敏.超宽带功率放大器设计[D].北京:北京交通大学,2011.

[3]徐锋.射频放大器的研究[D].大连:大连海事大学,2009.

The Summarizing of Ultra-wideband Power Amplifier

Wang Xingjian
(China Academy of Electronic and Information Technology,Beijing,100041)

Ultra-wideband power amplifier is an important part of the communication system . This paper describes the classification and main parameters of power amplifier , briefly introduces the design of ultra-wideband power amplifier , and introduced the latest research status of ultra-wideband power amplifier at home and abroad.

Ultra-wideband power amplifier；design；the latest research status